基于嵌入式的智能火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：監(jiān)測(cè)是預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的重要手段，其關(guān)鍵在于對(duì)火情判斷的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。因此基于嵌入式技術(shù)研究設(shè)計(jì)了一套智能火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助嵌入式處理器和Linux操作系統(tǒng)，具有良好的實(shí)時(shí)性、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和豐富的控制接口。系統(tǒng)利用紅外探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)火情的監(jiān)測(cè)，并采用了圖像處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以有效的監(jiān)測(cè)到火情發(fā)生，承擔(dān)主動(dòng)報(bào)警的任務(wù)。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)的火災(zāi)隱患越來(lái)越大，每年我國(guó)都因?yàn)榛馂?zāi)而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。盡管目前我國(guó)大多數(shù)樓宇都安裝了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和消防系統(tǒng)，但隨著火災(zāi)隱患復(fù)雜性的增加在諸如：火情的智能判斷，智能報(bào)警等方面提出了要求。本課題基于ARM11平臺(tái)研究了一種智能火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，可以為用戶提供實(shí)時(shí)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況以避免火情誤報(bào)，并為消防部門進(jìn)行滅火工作提供現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參考。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，系統(tǒng)以ARM11核心處理器，采用了GPIO擴(kuò)展口控制紅外火災(zāi)傳感器實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)信息，通過(guò)USB接口控制USB攝像頭獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻和采集圖片，選用TTL串口控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)被采集圖片的發(fā)送。

1.1 基于S3C6410的系統(tǒng)主控部分

S3C6410處理器是由三星電子公司出產(chǎn)的ARM11系列16/32位RISC微處理器，工作頻率為533 MHz/667 MHz。具有成本低、性能高、功耗低等特點(diǎn)。它包括許多強(qiáng)大的硬件加速器，像視頻處理、音頻處理等;集成多格式編碼器，支持NTSC和PAL模式的電視信號(hào)輸出。它包含JPEG解碼器，支持YCbCr 4：2：2格式編碼，支持YCbCr 4：4：4/4：2：2，4：2：0/4：1：1或灰色格式解碼。在硬件外設(shè)方面，S3C6410提供了USB主控制器，480Mbps高速USB OTG接口，187個(gè)可擴(kuò)展GPIO接口，4通道UART等。

系統(tǒng)采用了基于S3C6410的OK6410開發(fā)平臺(tái)作為驗(yàn)證平臺(tái)，OK6410平臺(tái)集成了多種接口，如：GPIO、UART、USB等，可以掛載多種不同接口的傳感器，符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要。目前，在嵌入式平臺(tái)上有多種嵌入式操作系統(tǒng)，如：VxWorks、WindowsCE、μC/OS-Ⅱ、Linux等。根據(jù)操作系統(tǒng)選擇的幾條原則，我們選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)源代碼公開，可以按開發(fā)者意愿進(jìn)行修改。

2)遵從GPL，無(wú)須為每例應(yīng)用交納許可證費(fèi)。

3)有大量的開發(fā)工具，方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行開發(fā)。

4)具有很高的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率。

5)支持多種處理器和開發(fā)平臺(tái)。

我們將Linux3.0.1內(nèi)核移植到驗(yàn)證平臺(tái)上，利用搭建好的平臺(tái)進(jìn)行了如下工作：

1)提供GPIO接口，掛載火災(zāi)傳感器。

2)通過(guò)USB接口連接攝像頭采集視頻幀。

3)移植libjpeg庫(kù)到Linux內(nèi)核中，利用移植好的libjpeg庫(kù)將視頻幀轉(zhuǎn)成jpeg圖片。

4)提供TTL串口，控制GSM/GPRS模塊發(fā)送彩信。

1.2 火情信息的紅外采集

紅外火災(zāi)傳感器模塊是通過(guò)GPIO口與開發(fā)板進(jìn)行通信的。為此我們開發(fā)了GPIO的驅(qū)動(dòng)程序。在Linux3.0.1核中，提供了gpio_get_val ue()、gpio_set_value()、gpio_request()等APl對(duì)GPIO設(shè)備的寄存器進(jìn)行讀取。我們利用這些API編寫了file_operations結(jié)構(gòu)體，提供了對(duì)GPIO設(shè)備文件進(jìn)行打開、關(guān)閉和讀寫操作的read()、write()、open()、release()函數(shù)。在進(jìn)入Linux系統(tǒng)后，使用insmod命令將驅(qū)動(dòng)加載到內(nèi)核中，并使用mknod命令創(chuàng)建供讀寫操作的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)采用紅外檢測(cè)探頭和LM393雙電壓比較器集成電路組成紅外火災(zāi)檢測(cè)模塊，具有檢測(cè)范圍廣，響應(yīng)速度快，靈敏度可調(diào)節(jié)，輸出量可以直接接入到I/O口中等特點(diǎn)。模塊的原理圖如圖2所示。常態(tài)時(shí)，傳感器輸出高電平，當(dāng)傳感器感應(yīng)到熱源時(shí)，模塊輸出引腳輸出低電平，通過(guò)GPIO口輸入到S3C6410中。

1.3 圖像信息的采集與壓縮

系統(tǒng)采用符合PAL制式的USB攝像頭。該攝像頭支持YUV422視頻格輸出，成本低廉。Linux在內(nèi)核中提供了關(guān)于視頻設(shè)備的API接口Video 4Linux2(簡(jiǎn)稱V4L2)，它是Linux下視頻驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，從linux2.6版本后開始加入Linux內(nèi)核?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的識(shí)別和支持，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)開發(fā)的流程。

系統(tǒng)判斷火災(zāi)發(fā)生后會(huì)啟動(dòng)攝像頭，攝像頭采集圖像流程如圖3所示。系統(tǒng)通過(guò)使用V4L2編程框架中提供的函數(shù)獲取攝像頭輸出視頻格式后，調(diào)用控制函數(shù)設(shè)置視頻設(shè)備的視頻數(shù)據(jù)格式，例如設(shè)置視頻圖像數(shù)據(jù)的長(zhǎng)、寬，圖像格式等。設(shè)置視頻圖像格式成功后，系統(tǒng)需要為獲取的視頻數(shù)據(jù)申請(qǐng)分配視頻緩沖區(qū)。當(dāng)采集視頻幀數(shù)達(dá)到要求數(shù)目后，程序會(huì)將緩沖區(qū)的一幀數(shù)據(jù)移至內(nèi)存中，并將YUV數(shù)據(jù)按照式(1)、式(2)和式(3)囀換成RGB格式。

R=(298×Y+409×(V-128)+128)/256 (1)

G=(298xY-100(U-128)-208x(V-128)+128)/256 (2)

B=(298xY+516x(U-128)+128)/256 (3)

轉(zhuǎn)換完成后，我們利用libjpeg庫(kù)和得到的現(xiàn)場(chǎng)圖像的數(shù)據(jù)信息生出我們需要的jpeg格式的圖片。

1.4 圖像信息的發(fā)送

GSM/GPRS模塊在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將采集到的現(xiàn)場(chǎng)圖像以彩信形式發(fā)送到監(jiān)測(cè)者的手機(jī)上。本設(shè)計(jì)選用了晨訊科技公司的SIM900GSM/GPRS模塊。模塊內(nèi)封裝了彩信協(xié)議，可以自動(dòng)將傳入的圖片封裝成彩信。

當(dāng)攝像頭采集圖像完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)送彩信的程序，通過(guò)簡(jiǎn)單的AT指令控制模塊進(jìn)行發(fā)送。主要AT指令如下：

1)a+cmmsinit初始化GSM/GPRS模塊的彩信功能。

2)at+sapbr=3，1，“contype”，“gprs”設(shè)置網(wǎng)絡(luò)方式。

3)at+sapbr=3，1，“apn”，“cmwap”設(shè)置接入點(diǎn)為cmwap。